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SWAT*)))以河南省中部农业区为例顾万龙1**竹磊磊1许红梅2王纪军1朱业玉1(1,450003;2,100081)为了研究气候变化对水资源的影响,应用具有物理基础的SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型,针对河南中部农业区(淮河上游沙河周口水文站上游区域)的特点,构建了该区域气候变化影响水资源(径流)评估模型。通过加载1B4000000电子河系数据,消除了SWAT在平原区从1B250000DEM自动提取河系的误差;在对模型参数敏感性分析的基础上,将1999)2002年作为校准期,2003)2006年作为验证期,对模型的参数进行了校准和验证,模型校准期Nash2Sutcliffe效率系数Ens=0196,r2=0195,验证期Ens=0181,r2=0187,表明模型应用于该区域的月径流模拟精度较高。将1966)2007年的气象资料应用于模型进行模拟,分析结果表明,地表径流、基流年内变化趋势与降水量变化趋势一致,蒸散发是该地区水量的主要输出项,地表径流是基流的2倍左右,地表径流相对于降水有滞后性,基流滞后于降水3个月时间。SWAT模型;径流;气候变化;沙河S963A1000-4890(2010)2-0395-06ApplicationofSoilandWaterAssessmentTool(SWAT)Modelintheresearchoftheeffectsofclimatechangeonwaterresources:AcasestudyincentralagriculturalareaofHenanProvince.GUWan2long1,ZHULei2lei1,XUHong2mei2,WANGJi2jun1,ZHUYe2yu1(1HenanClimateCenter,Zhengzhou450003,China;2NationalClimateCenter,Beijing100081,China).ChineseJournalofEcology,2010,29(2):395-400.Abstract:Inordertoevaluatetheeffectsofclimatechangeonwaterresources,anevaluationmodelfortheupperreachesofShaheRiver(thecentralagriculturalareaofHenanProvince)wassetup,basedontheSoilandWaterAssessmentTool(SWAT)mode.lByusing1B4000000dig2italriverdata,theerrorautomaticallyproducedbyusing1B250000DEMwasremoved.Inthemeantime,thehydrologicalandmeteorologicaldatain1999-2002and2003-2006wererespec2tivelyappliedtocalibrateandverifythemode,lbasedonthesensitivityanalysisofparameters.Duringthecalibrationperiod,theEns=0196andr2=0195;andduringtheverificationperiod,theEns=0181andr2=0187.Bothoftheseindicatedthatthemodelcouldbesuccessfullyap2pliedtosimulatethemonthlyrunof.fThesimulatedresultsfrom1966to2007showedthatthesurfacerunoffandgroundwaterhadthesamechangingtrendwithprecipitation.Evapotranspira2tionwasthemainoutputofthewaterresourcesinthearea,andthesurfacerunoffwasabout2timesofthegroundwater.Therunoffshowedalagbehindprecipitation,andtheprecipitationlagged3monthstobecomegroundwater.Keywords:SoilandWaterAssessmentTool(SWAT)mode;lrunof;fclimatechange;ShaheRiver.*河南省科技攻关计划资助项目(072102320006)。**通讯作者E2mai:lgwl_62@hotmai.lcom收稿日期:2009206216接受日期:2009210224气候变化如何影响水资源是淮河流域生态保护中面临的一个现实问题。淮河是中国东部地区一条重要的地理分界线,流域气候适宜,人口众多,但历史上灾害频繁,近20年来污染问题又非常突出,关注气候变化对淮河流域水资源的影响,是改善流域水体功能,治理流域生态的基础性工作。本文选取生态学杂志ChineseJournalofEcology2010,29(2):395-400淮河上游沙河周口水文站上游区域为研究区,该区域位于河南中部,包括山区、丘陵和平原地形,以农业区为主,其地形地貌、耕作制度以及降水情况在淮河流域具有很好的代表性,研究这个区域的水资源变化情况对于全流域具有很好的指示意义。降水是水资源的主要来源,气候变化对水资源有明显影响。气候变化对水资源的影响研究主要通过对水资源和气候资料的统计分析(张永勤等,2002;高歌等,2003)、分析气候模式输出资料(夏军等,2008)或将气候模式输出资料或假定气候方案结合水文模型等方法(王国庆等,2002;金兴平等,2009)。本文利用具有物理基础的SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型,研究河南省中部淮河上游地区的径流对气候变化的响应。SWAT模型是美国农业部20世纪90年代早期发展的面向大中流域、长时间尺度的模型,它具有很强的物理基础,用于模拟预测长期土地管理措施、土地利用等对于大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和营养物流失的影响,近年被较多地用于气候变化对水资源影响的研究。国外一些学者从不同流域、不同方面利用SWAT模型进行了模拟研究(Arnoldetal.,1999;Eckhardt&Arnold,2001;Borah&Bera,2003),不断完善和发展该模型,使其功能日益强大。近年来,该模型在中国长江流域、黄河流域、海河流域的不同子流域得到了广泛应用。王中根等(2008)针对海河流域的特点,对平原区河网和入海口进行合理概化,同时开发了基于SWAT模型的海河流域水平衡分析工具;姚允龙与王蕾(2008)利用SWAT模型模拟了三江平原典型沼泽性河流)))挠力河的径流量演变特征及变化趋势,结果发现1995)2004年相对1975)1985年的年径流变化只有部分是由气候因素引起的;张雪松等(2003)以黄河下游洛河卢氏水文站以上流域为研究区,在模型校准过程中采用自动数字滤波技术将径流总量划分为直接径流和基流,并分别对直接径流和基流进行校准,以达到径流总量的拟合;吴军与张万昌(2007)选取汉江上游马道流域,分析径流对地形参数变化的响应关系,并提出了归一化径流2河道总长比指数。本研究区域为淮河上游(沙河周口水文站上游)各支流(沙河、汝河、颖河和贾鲁河)组成的流域。该区域位于河南省中部(33b30cN)35bN,112bE)114b30cE),各支流均发源于伏牛山北支外方山脉,向东流经平原,汝河、颖河和贾鲁河分别汇入淮河支流沙河,流域面积2516319km2。流域属于暖温带季风气候区,降水丰沛,光照充足,适宜农、林、牧、副、渔各业的发展,生产潜力很大。流域多年平均年降水量600~800mm,降水季节变化显著,6)8月降水量占全年降水量的50%~60%。1111基础数据SWAT模型的主要输入数据有气象数据、数字高程模型(DEM)数据、土壤数据、土地利用数据;模型校准和验证采用实测的月径流量资料。112地信数据获取和处理本研究空间数据的分辨率和格式见表1:1)数字高程模型(DEM)数据,来源于国家基础地理信息中心,分辨率为1B250000。2)土地利用数据,来源于国家自然科学基金委员会/中国西部环境与生态科学数据中心0。提取的流域土地利用分布为19类,根据SWAT2005土地利用分类标准转化,重新分类后为15类,以种植冬小麦为主,其次是大豆;冬小麦、大豆的种植面积分别占土地利用的57136%和9144%。3)土壤数据,来源于/中国西部环境与生态科学数据中心0。流域内包括了8个土纲、16个土类、34个亚类的土壤类型,主要以褐土为主,其次是潮土;褐土、潮土面积分别占流域面积的30115%和29112%。4)河系数据,源自国家基础地理信息中心1B4000000水系图。SWAT模型能够在ARCVEIW或ARCGIS界面下根据DEM自动提取河系,通常情况下,提取的河系能很好地反映实际的河网分布情况,取得较好的模拟效果。但由于本研究区大部分属于平原地区,地势较平坦,海拔高于1000m的只占213%,海拔在500m以下的占88132%,在200m以下的占65119%,SWAT模型从1B250000DEM自动提取河系(图1a)时,贾鲁河、汝河和沙河3个支流的形状和位置与实际有较大的偏1、、Tab.1Resolution,formatandsourceofgeographicinfor2mationsystemdata数据比例尺格式来源DEM1B250000GRD国家基础地理信息中心水系图1B4000000Shape国家基础地理信息中心土地利用图250mShape国家自然科学基金委员会/中土壤类型图1B1000000Shape国西部环境与生态科学数据中心0396生态学杂志第29卷第2期1DEM(a)1B4000000(b)Fig.1Riversystem(a)obtainedfromDEMandtherealriversystem(b)oftheupperreachesofcatchmentfromZhoukouHydrometricStation差,必然不能合理地进行流域径流等的模拟。因此,要正确模拟水流、泥沙等的实际情况,必须寻找其他的办法解决此问题。本研究选用了1B4000000电子河系(图1b)加载在地信数据里,然后在DEM和电子河系的基础上提取下级河系的方向和水流长度、计算地形因子等。5)模型空间结构。地信数据输入完毕后,设定集水面积阈值为300km2,在研究区内共提取了44个子流域;设定水文响应单元(HRU)时,植被类型占子流域阈值取8%,土壤占植被面积取值11%,共取得235个水文响应单元(HRU)。113水文、气象数据获取和计算11311水文数据模型的水文资料采用沙河周口二站的1999)2006年逐月流量资料。11312气象资料气象条件为所有模拟过程提供总驱动力,SWAT模型所需的气象数据包括日降水量、最高气温、最低气温、相对湿度、风速、太阳辐射。除太阳辐射资料外,其他气象数据均取自流域内18个气象站(图1b),18个站点分布均匀,基本上满足了分布式水文模型的需要。研究流域内18个气象站只有郑州站有太阳辐射观测,因此其他站日太阳辐射必须通过某种方法计算取得。天空云量是影响太阳辐射的主要因素,而天空云量与当日最高气温与最低气温之差有关。Hargreaves首先提出最高气温和最低气温之差与太阳辐射的关系,Allen等(1998)修正了Hargreaves方程,该关系式为:Rs=Kr(Tmax-Tmin)015Ra(1)式中:Rs为计算的太阳辐射(MJ#m-2#d-1);Ra为外空辐射(翁笃鸣,1997)(MJ#m-2#d-1);Tmax为最高气温(e);Tmin为最低气温(e);Kr为调节系数,